JPH0364702B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体ロケツト推進システムに関するも
ので、更に詳細には、ロケツトエンジンの燃焼室
内にプロペラント（推進燃料）を噴射する為の再
生式作動システムに関するものである。

1979年１月15日出願の米国特許出願第3324号
（発明者 ハロルド エス．ストラツトン、本願
出願人に譲渡）には液体プロペラントを使用した
推進システムが記載されており、それはプロペラ
ントを比較的低圧源から再生式機構により高圧の
燃焼室内に噴射するもので、噴射装置を駆動する
のに燃焼室内の圧力を利用している。本発明は、
この様な噴射装置の改良に関するものであり、噴
射圧力を得る為に燃焼室内の圧力を利用するもの
である。しかしながら、本発明は噴射されるプロ
ペラントの量より正確に制御可能であると共に燃
料を噴射する時間より正確に制御可能なものであ
つて、推進システムの燃費効率を向上可能なもの
である。

本発明は、前以つて正確に測定した量のプロペ
ラントを連続してロケツトエンジンの燃焼室内に
噴射可能なロケツトエンジン用の再生式プロペラ
ント噴射システムを提供することを目的とする。
本発明では、バイプロペラント（２相推進燃料）
を使用する複パルスエンジンを提供しており、各
再生パルスサイクルの開始は外部的にタイミング
が取られて制御される。従つて、連続的に噴射サ
イクルの速度及び回数を制御するので極めて正確
な再現性のあるロケツト性能を得ることができ
る。

本発明ではロケツトエンジンの燃焼室内の１端
が閉塞し他端が開口して円筒流路を形成する手段
を設けることによつて目的を達成している。円筒
流路内を自由に移動自在に設けたピストンは円筒
流路の閉塞端と共に噴射室を形成しており、比較
的低圧の下にプロペラントが該噴射室内に供給さ
れる。ピストン内にはオリフイスが設けられてお
り、それを通してプロペラントが噴射室から燃焼
室へ給送される。ピストン内に弁が設けられてお
り、該弁はオリフイスを通常閉止しており、従つ
て、噴射室内のプロペラントの圧力によりピスト
ンは燃焼室側へ移動される。好ましくは空気ピス
トンの形をした作動手段によつて弁を開放し、ピ
ストンを燃焼室から離隔する方向に移動させ、そ
の際、噴射室からプロペラントを燃焼室内へ絞出
させてそこで点火させる。燃料点火により創出さ
れた圧力によりピストンは燃焼室から離隔する方
向へ移動され全てのプロペラントをオリフイスを
通して噴射室から流出させる。噴射室内でプロペ
ラントに露出されるピストンの面積は燃焼室に露
出される面積よりも小さく、これによる圧力差に
基づきプロペラントはオリフイスを介して流出さ
れる。弁は通常スプリング手段によつて閉止され
ているが、作動手段によつて開放される。

以下、本発明の具体的実施の態様に付き図面を
参考に説明する。図面において、ロケツトエンジ
ン組立体を大略１０で示す。このロケツトエンジ
ンは燃焼室１６内に連通する円筒ボア１４を穿設
した主エンジンブロツク１２を有する。ピストン
１８は円筒ボア１４内で移動自在であり、ピスト
ン１８の外側面２０は燃焼室１６の端壁を形成し
ている。環状ガスケツトリング２２はピストンと
ボアの間に摺動シールを提供している。ピストン
１８はその背面に穿設された中空円筒ないし環状
部２４を有する。環状部２４の外側面にはフラン
ジ部２６が形成されている。好ましくは、このフ
ランジ部２６を別体に形成してピストン１８の環
状部２４の外側端に螺合して取り付ける構成とす
るのが良い。フランジ部２６の外側円筒表面２５
はエンジンブロツク１２内の円筒ボア２８に摺接
して案内されており、該円筒ボア２８はボア１４
より大径でボア１４と同軸に設けられている。組
立を容易にする為に、主エンジンブロツク１２を
複数個の別体に加工したものをボルト等によつて
一体形成して組み立てる構成とすると良い。エン
ジンブロツク１２はボア２８の端部を密封する端
部３０を有する。端部３０はピストン１８の環状
部２４内の内部空間内に突出するプランジヤ３２
を有する。

外側円筒スリーブ３４はピストンの環状部２４
の外側に摺動自在に設けられており、又内側円筒
スリーブ３６は環状部２４の内側に摺動自在に配
設されている。外側スリーブ３４の外側円筒表面
はロケツトエンジンブロツク１２内の円筒ボア３
８と摺接しており、又円筒ボア３８は、ボア１４
及び２８の間に介在されると共にこれらのボアと
同軸に配設されその直径はボア１４よりも小さ
い。内側スリーブ３６の内側円筒表面はプランジ
ヤ３２と摺接している。例えば４０で示す如く環
状ガスケツトが設けられており、内側及び外側ス
リーブの種々の摺動表面間の界面において圧力シ
ールとして機能する。

外側スリーブ３４は、ピストンを貫通する小流
路から形成されたオリフイス４４を介し環状の燃
料噴射室４２から燃焼室１６への燃料の流れを制
御する為の弁として作用する。スリーブ３４は外
側に突出したフランジ部４６を有し、該フランジ
部４６は環状ガスケツト４８を支持している。こ
の環状ガスケツト４８は半径方向においてオリフ
イス４４の外側に位置する点でピストン１８の背
面に当接して燃料噴射室４２とオリフイス４４と
を遮断する。従つて、外側スリーブ３４はピスト
ン１８との相対的位置を変えることにより開放状
態になつたり閉止状態になつたりする弁としての
機能を有する。燃料は燃料流路７８を通つて燃料
噴射室４２内へ導入される。

同様に、内側スリーブ３６はその１端において
内方へ突出したフランジ部５０を有し環状シール
リング５２を支持している。該環状シールリング
５２は、ピストンを貫通する小さな流路から形成
されたオリフイス５４の内側に位置する様な半径
を有する。従つて、内側スリーブ３６はピストン
１８内においてピストン１８との相対的位置を変
化させることによつてオリフイス５４を開放した
り閉止したりする弁として作用する。ピストン背
面とプランジヤ３２端部の間の領域に酸化剤噴射
室５６が形成されている。酸化剤はプランジヤ３
２内を貫通する流路６０を通つて噴射室５６内に
導入される。

外側スリーブは、通常、複数個の圧縮スプリン
グ（その１つを６２で示してある）によつてピス
トン１８の背面に向つて付勢されている。圧縮ス
プリングはピストンのフランジ部２６に穿設され
たカウンタボア、即ち端ぐり内に装着されてい
る。圧縮スプリングはカツプ型部材６４をフラン
ジ部２６から遠ざかる方向に偏奇し、外側スリー
ブ３４及びそれと一体のフランジ部材６６の端部
に押圧させる。従つて、外側スリーブ３４で形成
した弁は閉止位置に置かれる。環状フランジ部材
６６は外側スリーブ３４の端部に螺着して固定さ
れている。フランジ部材６６の外側円筒周面６７
は、ピストン１８と一体のフランジ部２６に形成
された突出部の内側円筒表面６８に摺接する。

内側スリーブ３６も又複数の圧縮スプリング
（その１つを７０で示してある）によつて閉止位
置に付勢されている。スプリング７０の１端は、
内側スリーブ３６の端部から外側半径方向に突出
するフランジ部７４に穿設された孔を貫通して設
けられたボルト７２の頭部に当接している。ボル
ト７２はピストン１８のフランジ部２６内に螺着
されている。図面中には１個づつのスプリング６
２及び７０しか示されていないが、夫々のフラン
ジに円周方向に離隔させて複数個のスプリングを
設けることが可能なことは勿論である。

本ロケツトエンジンの動作に付き以下説明す
る。液体プロペラント源（不図示）に接続された
燃料導入流路７８から燃料噴射室４２へ比較的低
圧の下でプロペラント燃料を供給する。同時に、
液体酸化剤を流路６０を介して酸化剤噴射室５６
内に所要の圧力下で導入する。プロペラント及び
酸化剤の圧力によつてピストンは図面の右側に移
動され、フランジ部２６の突出部はロケツトエン
ジンブロツク１２の肩部８０に当接する。スリー
ブ３４及び３６の両方の弁が閉止されており、プ
ロペラントも酸化剤も燃焼室１６内には導入され
ない。

燃焼サイクルを開始する為に、不活性の作動ガ
スを流路８２を介して肩部８０とフランジ部６６
の間の環状空間８４へ所要の圧力で供給する。作
動ガスの圧力により外側スリーブ３４は図面の左
側へ移動して弁を開放し、燃料噴射室４２からオ
リフイス４４を通つて燃焼室１６内へプロペラン
ト燃料を導入する。フランジ部材６６の移動によ
りカツプ部材６４は左側へ移動し、スプリング６
２を圧縮する。同時に、カツプ部材の中心軸８８
は内側スリーブ３６のフランジ部７４に当接して
押圧され、その結果内側スリーブ３６はピストン
１８と相対的に左側に移動する。従つて、弁は開
放され酸化剤噴射室５６とオリフイス５４とを連
通させる。弁が完全に開放されると共に、ピスト
ンは作動ガスの圧力によつて左側に移動され、プ
ロペラント燃料及び酸化剤を燃焼室１６内に噴射
させる。弁が開放状態にあり、噴射室内の圧力が
作用する弁の各々の面積の相違からスプリングの
弾発力に抗して弁は開放状態を維持する。

燃料と酸化剤が燃焼室内で混合されて混合物が
燃焼し、燃焼室内の圧力を急激に増加させる。ピ
ストン前面２０の有効面積は環状部分２４の断面
の分だけピストン背面の面積より大きいので、両
者間に圧力差が生じ、ピストン１８を左側に移動
させて燃料及び酸化剤を夫々の噴射室４２及び５
６から燃焼室へ送給する。燃料流路７８及び酸化
剤流路６０へ連結される夫々の配管上に逆止弁
（不図示）を設け夫々の噴射室から燃料及び酸化
剤が逆流することを防止する。ピストン１８がプ
ランジヤ３２の端部に当接してその移動が停止さ
れる迄弁は開放状態のままである。ピストン１８
が停止されると燃焼室への燃料の噴射が停止され
る。すると燃料の消失と共に燃焼室内の圧力は急
激に低下し、スプリング６２及び７０は弁を閉止
せしめる。作動ガスの供給を遮断すると共に環状
空間８４を大気に連通すると、燃料及び酸化剤が
夫々の噴射室４２及び５６に新たに流入されてピ
ストン１８は出発位置に復帰する。而してロケツ
トエンジン組立体は次の動作サイクルの為に充填
される。

上述の記載から明らかな如く、燃焼室内に噴射
される燃料及び酸化剤の量は両末端間を移動する
ピストン１８の排除体積によつて極めて正確に制
御される。スプリング負荷を受けるスリーブ弁を
使用することにより噴射室４２及び５６の充填時
に燃焼室内へ燃料及び酸化剤が漏洩することがな
いことを保証している。弁が閉止位置にある場
合、噴射室内の燃料及び酸化剤の圧力はスリーブ
３４及び３６の夫々のフランジ部４６及び５０に
作用して弁を閉止位置に保持する。何故ならば、
ピストン１８はフランジ２６が肩部８０と当接す
ると右方に移動不能であるからである。弁が作動
ガスによつて開放されると、これらの流体による
圧力の正味効果は反対方向、即ちスプリング６２
及び７０の弾発力に抗して弁を開放状態に保持す
る傾向となる。燃焼期間中ピストン１８は左方へ
押し動かされるので噴射室内の圧力は急速に上昇
する。スリーブ弁３４及び３６のフランジ端部に
作用する圧力差はスプリングの弾発力に対し弁を
開放状態に保持するのに十分である。燃焼室内の
圧力が下降しピストンがストロークの左端に到達
すると、燃料及び酸化剤の圧力は燃料及び酸化剤
の供給源によつてもたらされた比較的低圧状態に
復帰する。この様な圧力状態において、スプリン
グの弾発力により弁は閉止状態とされ、又、供給
される燃料及び酸化剤の圧力によつてピストンは
右方に移動され次の燃料サイクルを繰返す。

尚、上述の説明においては燃焼サイクルを開始
する為の作動体としてガスを使用する場合に付き
説明したが、例えば電磁ソレノイドの様なその他
の機械的、電気的、流体力学的手段を使用して弁
を開始する構成とすることも可能である。更に、
本発明は上述の特定の実施例に限定されるべきも
のではなく、本発明の技術的範囲を逸脱すること
なしに種々の具体的変形例が可能であることは勿
論である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施の１例を示す断面図であ
る。 （主要部の符号の説明）、１２：エンジンブロ
ツク、１６：燃焼室、１８：ピストン、３２：プ
ランジヤ、３４：外側スリーブ、３６：内側スリ
ーブ、４２：燃料噴射室、５６：酸化剤噴射室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室に連通するエンジンブロツク内に形成
   された円筒ボア内を往復移動自在にピストンを設
   け、前記ピストンの裏面側から突出させて円筒部
   が設けられており、前記円筒ボアと前記ピストン
   円筒部との間の空間内に第１噴射室が形成され、
   前記ピストン円筒部の外周面上を摺動自在に第１
   弁手段が設けられており、前記第１弁手段は前記
   ピストン内に穿設されており前記燃焼室と前記第
   １噴射室とを連通する第１オリフイスを開閉制御
   可能であり且つ前記第１オリフイスを閉止する方
   向に常時付勢されており、前記第１噴射質から第
   １オリフイスを介して前記燃焼室へ燃料を供給す
   る場合に前記第１弁手段を所定の方向へ移動させ
   て前記第１オリフイスを開放させる開放手段を有
   することを特徴とする燃料噴射装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記ピスト
   ン円筒部は外側円筒表面を有しており、前記第１
   弁手段は前記ピストン円筒部の外側円筒表面上に
   摺動自在に嵌合されている外側円筒スリーブを有
   することを特徴とする燃料噴射装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記外側円
   筒スリーブの先端には外側に突出する外側フラン
   ジが形成されており、前記第１噴射室内へ第１供
   給口を介して供給される第１流体の圧力が前記外
   側フランジに作用して前記第１弁手段により前記
   第１オリフイスを閉止することを特徴とする燃料
   噴射装置。 ４ 特許請求の範囲第２項又は第３項において、
   前記開放手段は、前記外側円筒スリーブの後端側
   で前記円筒ボアと前記外側円筒スリーブとの間に
   形成した環状空間を有しており、前記環状空間内
   に作動流体を圧力下で導入させることにより前記
   外側円筒スリーブをピストンから離れる方向に摺
   動させ前記第１オリフイスを開放させることを特
   徴とする燃料噴射装置。 ５ 特許請求の範囲第４項において、前記外側円
   筒スリーブの後端に外側に突出させて後部フラン
   ジが形成されており、前記環状空間の一部を画定
   していることを特徴とする燃料噴射装置。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第５項の内のいず
   れか１項において、前記ピストン円筒部は中空で
   あり、それにより該中空部により第２噴射室が形
   成されており、前記第２噴射室と燃焼室とを連通
   する第２オリフイスが前記ピストンに穿設されて
   おり、前記第２オリフイスを開閉制御可能に前記
   ピストン中空円筒部内に摺動自在に第２弁手段が
   設けられていることを特徴とする燃料噴射装置。 ７ 特許請求の範囲第６項において、前記第２弁
   手段は前記第１弁手段と一方向において動作連結
   されており、前記第１弁手段が開放位置とされる
   場合に、前記第２弁手段も開放位置とされること
   を特徴とする燃料噴射装置。 ８ 特許請求の範囲第７項において、前記第１弁
   手段は前記ピストンに設けた第１付勢手段によつ
   て常時その閉止位置に向かつて付勢されており、
   前記第２弁手段は前記ピストンに設けた第２付勢
   手段によつて常時その閉止位置に向かつて付勢さ
   れていることを特徴とする燃料噴射装置。 ９ 特許請求の範囲第８項において、前記第１及
   び第２付勢手段の各々がスプリングを有すること
   を特徴とする燃料噴射装置。 １０ 特許請求の範囲第６乃至第９項の内のいず
   れか１項において、前記第２弁手段は前記ピスト
   ン中空円筒部内を摺動自在に嵌入された内側円筒
   スリーブを有することを特徴とする燃料噴射装
   置。 １１ 特許請求の範囲第１０項において、前記内
   側円筒スリーブの先端には内側に突出する内側フ
   ランジが形成されており、前記第２噴射室内へ第
   ２供給口を介して供給される第２流体の圧力が前
   記内側フランジに作用して前記第２弁手段が前記
   第２オリフイスを閉止することを特徴とする燃料
   噴射装置。 １２ 特許請求の範囲第１１項において、前記内
   側円筒スリーブの後端には外方へ突出する後部フ
   ランジが形成されており、前記外側スリーブの後
   部フランジと前記内側スリーブの後部フランジと
   の間にカツプ部材が介装されていることを特徴と
   する燃料噴射装置。 １３ 特許請求の範囲第１０項乃至第１２項の内
   のいずれか１項において、前記エンジンブロツク
   から突出してプランジヤーが設けられており、前
   記プランジヤーは前記内側円筒スリーブ内に摺動
   自在に挿入されており、前記プランジヤーの先端
   面が前記第２噴射室の一画を画定することを特徴
   とする燃料噴射装置。 １４ 特許請求の範囲第２項乃至第１２項の内の
   いずれか１項において、前記エンジンブロツクに
   は前記円筒ボアの径よりも小径で前記外側円筒ス
   リーブと摺接する小径部分が形成されており、一
   方前記ピストン円筒部の後端には外側に突出する
   ピストン後部フランジが形成されており、前記ピ
   ストン後部フランジが前記小径部分と係合して前
   記ピストンの往復動の一方の限界位置を画定して
   いることを特徴とする燃料噴射装置。 １５ 特許請求の範囲第１４項において、前記ピ
   ストンの往復動の他方の限界位置は前記ピストン
   の裏面が前記プランジヤーの先端面と接触する位
   置であることを特徴とする燃料噴射装置。 １６ 特許請求の範囲第１項乃至第１５項の内の
   いずれか１項において、前記第１流体は燃料であ
   り且つ前記第２流体は酸化剤であることを特徴と
   する燃料噴射装置。